Field-Free Switching of Perpendicular Magnetization Induced by Longitudinal Spin-Orbit-Torque Gradient

凝聚态物理 磁化 物理 对称(几何) 垂直的 温度梯度 双层 领域(数学) 铁磁性 磁各向异性 磁场 各向异性 自旋电子学 量子力学 几何学 化学 生物化学 数学 纯数学
作者
Xinyu Shu,Liang Liu,Jing Zhou,Weinan Lin,Qidong Xie,Tieyang Zhao,Chenghang Zhou,Shaohai Chen,Han Wang,Jianwei Chai,Yishui Ding,Wei Chen,Jingsheng Chen
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:17 (2) 被引量:28
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.17.024031
摘要

Spin-orbit-torque (SOT) symmetry in a heavy-metal--ferromagnet bilayer forbids the deterministic switching of perpendicular magnetization. Traditionally, an external magnetic field-exchange bias-tilted magnetic anisotropy is introduced to break the symmetry, which is not suitable for practical applications. Here, we propose to break the SOT symmetry by introducing a longitudinal composition gradient in $\mathrm{Cu}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{Pt}$ heavy metal. We demonstrate the deterministic switching of a perpendicularly magnetized $\mathrm{Co}/\mathrm{Ni}$ multilayer with good endurance when the electric current flows along the direction of the composition gradient. No field-free switching is observed when the current is applied transverse to the gradient or the gradient is removed. The composition gradient of $\mathrm{Cu}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{Pt}$ leads to a longitudinal gradient of SOT, which results in the field-free switching of perpendicular magnetization. Our work offers a promising approach for lowering the symmetry of the material system for developing spintronic applications.
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